半導體：太空探索中的無(wú)名英雄

半導體元件有助于確保太空極端環(huán)境中的可靠性和性能。在過(guò)去的 60 年里，微芯片在 100 多次太空任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，推動(dòng)了太空探索中一些最具歷史意義的里程碑的成功。從 1958 年美國首次成功的太空任務(wù)到正在進(jìn)行的阿爾忒彌斯任務(wù)，這些組件（見(jiàn)表）一直在證明其價(jià)值。

Andy Turudic/EBM下表列出了一些已用于太空任務(wù)的半導體。

 半導體元件在太空任務(wù)中的關(guān)鍵作用

自從美國第一顆衛星 Jupiter-C 導彈上的探索者 1 號發(fā)射以來(lái)，半導體必須證明其太空資質(zhì)，在外太空時(shí)滿(mǎn)足嚴格的輻射和可靠性標準。

太空任務(wù)中的半導體元件始于頻率控制設備。石英晶體振蕩器、壓控 SAW 振蕩器 （VCSO） 或原子鐘等頻率控制在航天任務(wù)電子設備中至關(guān)重要，因為它可確保信號的準確傳輸和接收，保持通信穩定性、數據完整性和系統同步。

這些組件對 1958 年美國首次太空任務(wù)的成功至關(guān)重要，并為太空可靠性奠定了基礎。1969 年的阿波羅 11 號登月是人類(lèi)最偉大的成就之一，也依賴(lài)于這些技術(shù)。Microchip 在月球表面的阿波羅 11 號登月艙 （LM） 以及用于機載制導計算機的關(guān)鍵邏輯組件（見(jiàn)圖）內提供關(guān)鍵通信支持。

Microchip 技術(shù)Fairchild（現為 Microchip）的 RTμL 9915 NOR 門(mén)是 Apollo Guidance Computer 設計的基礎。

與世界上任何其他精密頻率參考相比，銣、SAW 和石英振蕩器支持更多的軍事通信、衛星地面站和測試與測量應用。

旅行者 1 號任務(wù)現在是距離地球最遠的人造物體，進(jìn)一步展示了半導體在太空中無(wú)與倫比的性能。旅行者 1 號的電子設備混合了 TTL 和 CMOS 邏輯 IC、模擬元件、存儲芯片和定制半導體，旨在應對深空挑戰。

旅行者 1 號的主計算機使用了名為 SPS-8 的定制中央處理器 （CPU），該單元由 NASA 為航天器設計。TTL 邏輯芯片是當時(shí)流行的數字集成電路類(lèi)型;現在大多數半導體 IC 都是基于 CMOS 的。

近年來(lái)，半導體技術(shù)一直是火星探測的核心?！昂闷嫣枴焙汀耙懔μ枴被鹦擒?chē)為這顆火星提供了寶貴的見(jiàn)解，它們依靠這些組件在火星的惡劣環(huán)境中運行。

火星探測器，特別是毅力號探測器，包含來(lái)自 Microchip Technology 的多個(gè)組件。其中包括用于各種控制系統和數據處理任務(wù)的 SPARC 處理器，以及電源管理 IC （PMIC），這些 IC 對于有效管理漫游車(chē)不同部分的電源至關(guān)重要。所有這些都是抗輻射（抗輻射）組件，從而確保電子設備能夠承受惡劣的太空環(huán)境。這些組件對于火星車(chē)的運行至關(guān)重要，并幫助它在火星上執行科學(xué)任務(wù)。

對于月球探測，印度的第三次月球探測任務(wù) Chandrayaan-3 任務(wù)使用了多種半導體元件。這些組件（例如耐輻射 （RT） 反熔絲 FPGA）對于任務(wù)的成功至關(guān)重要，使月球表面的通信、導航和科學(xué)實(shí)驗成為可能。

正在進(jìn)行的 Artemis 任務(wù)旨在將人類(lèi)送回月球并最終將他們送上火星，這也依賴(lài)于半導體技術(shù)經(jīng)過(guò)驗證的性能和可靠性。

可靠性和性能在太空計劃中的重要性

在惡劣的太空環(huán)境中，可靠性和性能不僅重要，而且至關(guān)重要。半導體元件是現代太空任務(wù)的核心，為從衛星和漫游車(chē)到通信系統和空間站的所有設備提供動(dòng)力。

考慮到太空的極端條件（嚴酷的溫度、強烈的輻射和太空的真空），組件必須長(cháng)時(shí)間完美運行。即使是半導體中最小的故障也可能導致任務(wù)失敗，這凸顯了選擇高度可靠元件的重要性。

太空輻射的挑戰

太空中充滿(mǎn)了高水平的輻射，這對電子元件可能是毀滅性的。輻射會(huì )降低材料質(zhì)量，導致電氣故障，并損壞正在傳輸的數據。例如，地球保護大氣層之外的太陽(yáng)輻射環(huán)境可能會(huì )使組件暴露于高能粒子中，從而導致單粒子翻轉 （SEU） 或總輻射劑量損傷。

為了應對這些挑戰，先進(jìn)的抗輻射技術(shù)包括使用抗輻射半導體等專(zhuān)用材料。這些設計修改降低了對輻射的脆弱性。例如，機載計算機中使用的航天級微處理器通常采用抗輻射設計 （RHBD），因此故障不會(huì )導致整個(gè)系統癱瘓。

模擬太空條件的堅固測試

除了抗輻射之外，在太空任務(wù)方面有悠久歷史的公司還率先采用了嚴格的測試和鑒定流程，以確保其組件的可靠性和性能。這些測試遠遠超出了正常的制造質(zhì)量控制。

太空級半導體經(jīng)過(guò)廣泛的熱循環(huán)測試，模擬太空中的廣泛溫度變化——從太陽(yáng)的酷熱到深空的嚴寒。一個(gè)例子是 NASA 對“毅力號”火星探測器的組件進(jìn)行測試，該探測器經(jīng)歷了 -55°C 到 125°C 的溫度波動(dòng)，要求組件能夠承受如此極端的天氣而不會(huì )出現故障。

組件還經(jīng)過(guò)振動(dòng)測試，以模擬發(fā)射過(guò)程中所經(jīng)歷的應力和振動(dòng)?；鸺l(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的強大力與地球上看到的任何東西都不同;因此，半導體元件必須能夠承受這些條件，而不會(huì )影響其完整性。例如，在阿波羅 11 號任務(wù)期間，關(guān)鍵電子設備要接受振動(dòng)測試，以確保它們能夠在強大的發(fā)射力下幸存下來(lái)，最終為登月的成功做出貢獻。

長(cháng)期可靠性：太空歷史示例

太空任務(wù)要求組件不僅在任務(wù)期間工作，而且隨著(zhù)時(shí)間的推移繼續可靠運行。1977 年發(fā)射的旅行者 1 號航天器是可靠性對于長(cháng)期任務(wù)至關(guān)重要的一個(gè)典型例子。在太空中飛行了 40 多年，由于采用經(jīng)過(guò)嚴格測試可承受極端條件的抗輻射半導體元件，該航天器繼續與地球通信。

另一個(gè)例子是國際空間站 （ISS），它依靠大量基于半導體的系統來(lái)維護生命支持系統、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗并保持通信線(xiàn)路暢通。國際空間站經(jīng)常暴露在太空的惡劣輻射環(huán)境中，溫度范圍從 +121°C（面向太陽(yáng)）到 -157°C（陰涼處），每 45 分鐘左右交替一次。然而，板載的半導體元件必須日復一日地可靠運行。

擴展前沿：太空市場(chǎng)的演變

航天工業(yè)的一個(gè)發(fā)展趨勢是越來(lái)越多地使用商用現貨 （COTS） 設備，由于這些設備可立即使用，因此為太空任務(wù)提供了經(jīng)濟高效的解決方案。Starlink 的低地球軌道 （LEO） 衛星網(wǎng)絡(luò )利用 COTS 組件來(lái)降低成本并加快生產(chǎn)速度。許多機載電子設備，特別是對于非關(guān)鍵系統，都依賴(lài)于這些組件，這些組件既經(jīng)濟實(shí)惠，又經(jīng)過(guò)精心挑選，在太空環(huán)境中具有可靠性。

一個(gè)很好的例子是由 ESA（歐洲航天局）和 CNES（法國航天局）開(kāi)發(fā)的歐洲發(fā)射器 Ariane。阿麗亞娜 5 號（1985 年）配備了一個(gè)硬化的 QML 級 SPARC 中央處理器，采用密封封裝，并配備了 1553 網(wǎng)絡(luò )，用于火箭內所有系統之間的通信。

最新版本 Ariane 6 （2024） 現在嵌入了基于 Arm 架構的 COTS 處理器，采用塑料封裝。它使用與廣泛采用的行業(yè)標準相同的以太網(wǎng)進(jìn)行通信，這與 Ariane 5 中使用的太空/軍事特定技術(shù)形成鮮明對比。

然而，對于必須在天基通信中保持強大性能的高可靠性系統，需要對 COTS 設備進(jìn)行調整和認證，這需要專(zhuān)業(yè)知識。尋求進(jìn)入新太空市場(chǎng)或從新太空過(guò)渡到深空的公司正在與半導體公司合作，這些公司擁有成熟的飛行歷史，能夠升級 COTS 設備以滿(mǎn)足太空任務(wù)的嚴格要求。

短期內，半導體在太空中的未來(lái)將是多種策略的混合：升級 COTS 設備，利用我們的航天經(jīng)驗和 sub-QML 版本的產(chǎn)品來(lái)減少篩選要求，降低成本，縮短交貨時(shí)間，以及定制制造工藝以滿(mǎn)足特定任務(wù)配置文件的獨特要求。

通過(guò)結合這些方法，半導體在太空中實(shí)現了穩健且適應性強的未來(lái)，同時(shí)最大限度地降低了成本、復雜性并承擔了適當的風(fēng)險。

太空半導體元件的未來(lái)

隨著(zhù) LEO 星座的興起和太空商業(yè)化的不斷發(fā)展，航天工業(yè)不斷發(fā)展，對可靠、高性能半導體元件的需求也在不斷增長(cháng)。新的太空企業(yè)需要能夠應對獨特挑戰的組件，將高可靠性、創(chuàng )新和利潤驅動(dòng)目標相結合。